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密闭取心技术


密闭取心技术
易贵华 谢勇 费维新

新疆石油局钻井工艺研究院

摘要 本文以我院自行研制、并拥有独立知识产权的 MQJ215、DQX215 密闭取心工具为基础,系统介绍了密闭
取心的目的,密闭取心工具的工作原理。并以克拉玛依等国内外油田的现场应用数据为例,简要介绍了这两种工 具的工艺技术措施及取得的实际应用效果。

关键词 密闭取心 工具 工艺

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概述
油田勘探开发需要准确获得油层原始含油饱和度和地层孔隙度等重要地质资料, 以制定合理

的勘探开发方案。对于注水开发的老油田,需要检查注水效果,定量分析油层的油水动态,水淹 油层情况及水驱油效果,以制定出有效的挖潜增效增产措施,完善开发方案。这些都需要以岩心 分析资料为依据。 常规取心获得的岩心因受到钻井液的污染, 钻井液中的部分固相颗粒进入岩心使地层孔隙率 数据失真, 钻井液滤液进入岩心使地层液体矿物质成分发生变化并造成油水饱和度数据不准, 最 终对该岩心分析得到的资料会有较大误差,从而使勘探开发方案的制定受到较大的制约。 密闭取心是指在水基钻井液中取得的岩心基本不受钻井液的污染, 能真实再现地层原始地质 孔隙度、 含油饱和度及水侵和含水率等资料。 它是通过专用密闭取心工具和密闭液的共同作用来 实现的一种特殊钻井取心工艺。

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工作原理

2.1 密闭取心工具 密闭取心工具主要由安全接头、 外筒、 悬挂结构、 内筒和取心钻头组成。 采用双筒单动结构, 内、外筒可相对运动。金刚石密闭取心钻头采用钻井液只通过钻头水眼和外泄水槽循环,清洗冷 却外唇面的型式,杜绝岩心受钻井液直接冲蚀。 2.2 密闭取心工艺原理 取心工作开始前,在井口将取心工具内筒里注满密闭液,内筒下端由销钉固定密封活塞,上 端由浮动活塞密封,形成密封腔。取心钻进时,由于钻压的作用,销钉被剪断,密封活塞上行, 内筒密封被打开,之后取心钻头接触井底,并迫使密封活塞完全进入内筒。此时内筒里的密闭液 开始被挤出,在井底形成保护区。随着钻进,岩心不断形成和增长,推着活塞不断上行。由于内 筒上端是密封的, 故筒内密闭液只能被进入内筒的岩心所挤压, 且只能从内筒环空间隙等体积向 外排出, 排出的密闭液立即涂抹在岩心柱表面形成保护膜。 同时在井底岩心柱周围形成一定范围 的保护区,钻井液只通过钻头水眼和外泄水槽循环,在携带岩屑和清洗冷却外唇面,使保护岩心
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免遭钻井液污染的目的得以实现。 2.3 密闭取心和松散地层取心存在的技术难题 2.3.1 密闭取心的技术难题 1) 、保持内筒内部压力与井筒间压力的平衡,确保下钻时内筒内密闭液不被污染、提钻时 不因内筒内岩心间的气体压力无处释放而顶掉岩心。 2) 、在确保内外筒间密封不使密闭液在钻进时被污染的同时,保证内筒无周向运动,提高 取心收获率和岩心成形率。 2.3.2 松散地层取心的技术难题 松散地层是指胶结性差、易破碎、易水化、高含水等地层的统称,在这些地层取心往往难度 大、复杂程度高,不易得到理想的效果,造成以上结果的主要原因是由于: 1) 、 地层胶结物强度低,岩心不易成形,难以进入取心工具; 2) 、 当岩心胶结物具有较强水敏性时,在水基钻井液冲蚀下,岩心承载能力降低,易坍塌 破碎,造成堵心、磨心现象的发生,影响取心技术指标; 3) 、 在胶结松散、不均质含砾砂砾岩取心过程中,取心钻头和工具振动易造成岩心断裂、 破碎; 4) 、 岩心的出筒过程中,由于岩心柱受力状态发生变化,岩心易坍塌破碎,减小了岩心地 质分析的选样范围,降低了地质资料的准确性。

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取心工具及钻头特点
我院在新疆油田进行了二十多年常规和密闭取心新工艺、 新技术推广应用, 掌握了大量取心

现场应用经验和新疆油田地层胶结特性的资料, 根据密闭取心存在的技术难题、 工艺的特点和油 田地层状况, 研究设计出适用于松散地层的 DQJ215 型大直径玻璃钢内筒密闭取心工具、 适用于 深井和中深井中硬--硬地层密闭取心的 MQJ215B 型密闭取心工具和与之相配套的系列金刚石密 闭取心钻头, 研究制定了与取心工具工作机理、 钻头特性、 地层特点相适应的密闭取心工艺技术。 通过推广应用,这两种工具均获得很高的取心收获率、岩心密闭率和岩心完整率,满足了地质要 求。 为解决密闭取心和松散地层取心存在的技术难度, 我院在工具设计和技术措施上采取了以下 方法解决了问题: 1) 、采用浮动活塞保持内筒内部压力与井筒间压力的平衡 2) 、用异型密封圈组成动密封,密封内筒与外筒并保证内筒无周向运动。 3) 、松散地层胶结强度差,在目前的取心中很难改变也不应改变,如改变将造成地质资料的 失真。 而岩心成形性的好坏与岩心承载能力成正比, 影响岩心柱承载能力的因素多种多样。 其中, 岩心柱的截面积是最重要的因素之一。 根据材料力学的材料屈服强度: 2 σ =P/F(kgf/mm ) (1) 由(1)转换得 P=σ ·F(kgf) (2) 2 其中:σ 屈服强度 (kgf/mm ) P 应力 (kgf) 2 F 材料截面积 (mm ) 结论:当某材料的屈服强度一定时,其承载能力与截面积成正比。
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因此我院取心工具设计时重点放在: 在取心工具外径一定的条件下, 如何获得最大尺寸的岩 心,通过材料和设计优化,最终松散地层取心工具的岩心截面积比常规取心增加了 46.6%。 4) 、在松散地层尽量采用密闭取心进行作业,以减少钻井液冲蚀对岩心柱强度的影响。 5) 、采用低钻压(2-6t)、低排量(16-18 l)和适当转速(40-50rpm)等技术措施来减少工具振 动,保证岩心收获率和成形率。 6) 、应用玻璃钢内筒,排除出筒对岩心成形率的影响。 3.1 DQJ215 型大直径玻璃钢内筒密闭取心工具 在疏松破碎地层取心,由于地层胶结性差,易造成堵心,影响岩心收获率,并由于岩心柱不 易成形,难以对岩心取样分析。该型取心工具由于提高了岩心柱本身的强度,适用于松散破碎地 层取心,在保证密闭率的前提下,可提高岩心成形率与收获率。 3.1.1 工具的结构 工具由上接头、浮动活塞、外筒、玻璃钢内筒、密闭头和取心钻头等组成(详见下图) 。

3.1.2 工具的特点 1) 获取的岩心直径大,强度高,易成形。 2) 内筒内壁光滑,摩擦系数小,降低岩心入筒阻力,降低了卡心和堵心出现的频率,可以 提高岩心成形性、收获率和单筒进尺。 3) 岩心不出筒,切割内筒选样,减少对松散岩心的扰动,避免疏松岩心因出筒而破碎,导 致无法选样的问题。现场容易切割,并没有火花危险。 4) 重量轻,易于搬运。 5) 耐腐蚀,不受钻井液中处理剂的影响。
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3.1.2 工具的技术参数 适用井眼:≥Ф 215.9mm 岩心直径:≤Ф 115mm 工具总长:6100mm 外筒:φ 190×φ 154×5000mm 内筒:φ 140×φ 125×5050mm 工具内筒调节范围: ±20mm 钻头内径与岩心爪内径差值范围:2—3mm 爪套与钻头内腔台阶轴向间隙:8—15mm 可取岩心长度:≤5000mm 可灌密闭液容量: 约 80 l 上端扣型:API410 3.2 MQJ215B 型密闭取心工具 3.2.1 工具的结构 工具由安全接头、 外筒接头、 悬挂轴承、 浮动活塞、 外筒、 内筒、 密闭头和取心钻头组成 (详 见下图) 。

1、.安全接头 5、轴承座 9.、钢球 13、外筒 17、密闭体 21、岩心爪 3.2.2 工具的特点

2、外筒接头 6、分流接头 10、球座 14、内筒 18、密闭环 22、钻头

3、轴承心轴 7、压帽 11、活塞杆 15、外筒短节 19、销钉 23、密闭头

4、轴承 8.、卡片 12、.活塞 16、爪套短节 20、爪套

1) 大螺距安全接头具有承载大,耐磨损,上卸扣速度快,出心方便省时等特点,其关键是 卸扣扭拒只有上扣扭拒的 60%,特别适用于深井取心作业时一旦发生卡钻,可方便的从安全接

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头倒扣,提出工具的内筒组合及已钻取的岩心,为下步处理卡钻事故简化了井下落鱼结构。 2) 压力补偿结构可平衡内筒内外液柱压差,平衡在钻进过程中因堵心造成的内部压力升 高,改善密闭头的受力状况,有利于深井密闭取心时保证岩心密闭率和取心收获率。 3) 提钻自锁割心的岩心爪,简化了工具结构和割心操作,适合深井硬地层的取心,并且工 作可靠,使用范围广。同时高耐磨性的岩心爪,避免了在深井硬地层取心钻进时间长,岩心爪与 爪套摩擦时间长,从而使其失去弹性无法工作的问题出现。 3.2.3 工具的技术参数 总长: 9700mm 外筒: Φ 178×Φ 144×8100mm 内筒: Φ 127×Φ 112×8050mm 钻头: Φ 214×Φ 98×380mm 岩心爪内径: Φ 95mm 可取岩心长度: ≤8000mm 工具内筒调节范围: ±20mm 钻头内径与岩心爪内径差值范围:2—3mm 爪套与钻头内腔台阶轴向间隙:8—15mm 可灌密闭液容量: 约 100 l 上端扣型:API410 3.3 密闭取心钻头 目前我院系列密闭取心钻头, 采用人造金刚石聚晶作切削齿, 根据密闭取心工具的结构特点、 取心工艺原理和各类不同地层的特性而设计的特殊密闭取心钻头。 密闭取心钻头的特点:钻头内径和内唇面无钻井液清洗;钻井液只清洗冷却外唇面;增强型 等磨损布齿。 因密闭取心工艺要求杜绝钻井液失水污染岩心, 钻头内径和内唇面无钻井液清洗, 只靠取心 工具内筒挤出的密闭液冷却金刚石切削齿和携带岩屑, 钻井液只通过水眼和外泄水槽循环, 清洗 冷却外唇面。外泄水槽内缘只能开到园弧顶点附近,杜绝钻井液紊流污染岩心。 切削齿布齿方式采用增强内唇面的等磨损布齿, 减少内唇面切削齿因无钻井液清洗冷却造成 的提前烧损。即:同时使所有切削齿保持基本相同的磨损速度,从而使整个钻头达到等磨损,增 加钻头效率。

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密闭取心技术在油田上的应用
为检查区块油层水淹特征、水洗状况、剩余油分布问题和核算区块的含油面积、地质储量等

所需要的原始依据, 密闭取心技术在新疆油田等 200 余口井进行现场应用, 并取得了较好的技术 指标。 4.1 深井密闭取心 用 MQJ215 密闭取心工具在石西油田的石 007 井,玛湖的 M006 井,八区 85095 井,小拐油 田的 GD1155 井,塔里木油田的 FZ4-6-14 井,井深均大于 3000m,密闭取心进尺:269.96m,平均 收获率达 96.7%,密闭率 96.5%,解决了中深井密闭取心难这一大难题。 4.2 水淹层密闭取心

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二区的 ES2004 井和 ES2007 井是国家级课题“三元复合驱采油”先期试验区的两口资料井, 为保证项目的后续研究能顺利进行, 我院针对取心目的层的胶结情况, 选用 MQJ215 密闭取心工 具与钻头, 制订出了针对性的取心工艺技术措施, 终于使这两口井取得的技术指标, 岩心收获率、 密闭率和成形率均达到 95%以上,同区块常规取心收获率仅 30%,比国内其它油田同类区块技 术指标高出 10 个百分点以上,为证明本技术领先于国内其它油田。 哈萨克斯坦肯吉亚克油田已有三十多年的注水开发历史, 因种种原因, 已多年未在该区进行 油层地质资料的采集工作,我国于九十年代获得该油田的开发权益后,在该油田的 CKB6101、 CKB6102 和 CKB6109 井进行了水淹层大直径玻璃钢内筒密闭取心, 我院技术人员根据所取地层 的情况制定了符合实际的现场施工方案与工艺技术措施,在 251.44m 的取心中,取出了 221.61m 密闭成型岩心, 取心收获率达到 88.2%, 为该油田的后期开发方案制定, 提供了准确的地层数据; 而同地区常规取心的收获率不到 40%(水淹层取心岩心照片见附图一、附图二、附图三) 。 4.3 松散地层密闭取心 九二年在新疆油田九区稠油热采注蒸汽驱动和蒸汽吞吐的检 279 井和检 280 井进行了密闭 取心,总进尺为 75.34m,实取 70.24m, 平均收获率为 93%,平均密闭率为 95%。这两口井是 国内首次在蒸汽驱油、蒸汽吞吐层密闭取心并获得成功。 新疆油田九区、百重七、四区、克浅十等油区为稠油油藏,由于长期注汽驱油和吞吐开采, 剩余含油已不多,地层的胶结强度下降,岩心不易成柱。针对这些特征,制定了密闭取心工艺方 案措施,共取心 100 余井次,平均收获率为 95.9%,密闭率 98.7%的好成绩,在现场出筒的岩心 柱基本成形;同类区块常规取心收获率低于 50%,因岩心不成形,无法选样。 在吐哈油田的雁木西地区,用常规取心工艺进行取心作业,取心收获率仅能达到 20%左右, 油田管理部门无法依据这些残缺不全的数据来制定开发方案, 我院接到施工委托后, 针对该地区 地层胶结特点,完成了该地区大直径玻璃钢内筒取心设计,在雁 301、雁 630 等三口井取心 256.29m,取心收获率达到 89.8%,岩心完整率达到 95%以上,为该区块的开发提供了较完整的地 质数据(松散地层取心岩心照片见附图四、附图五、附图六) 。 4.4 定向井密闭取心 GD1155 井是小拐油田的欠平衡定向井,是该区的重点资料井。本工具在井斜 45° 的井段取 得了收获率 99.55%,密闭率 100%的优秀指标,证明本工具结构也适用于定向井的取心作业。

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5.1

结论与认识
经过十多年的研究与应用,我院密闭取心技术已在哈国肯吉亚克油田、吐哈盆地、塔里木

油田和新疆油田的 200 余口井进行了 5000 余米取心现场应用,岩心收获率和密闭率均达到 90% 以上,取得了良好的技术指标,为油田开发方案的制定提供可靠的地质资料。 5.2 目前我院的密闭取心工具已形成系列化,无论是浅井还是深井,是注水开发老区还是开发 新区,是松散地层还是硬地层,都有与其相对的密闭取心工具、密闭取心钻头和密闭取心配套工 艺技术措施,并有一支由专业技术人员组成,经过多年锻炼、富有经验的取芯服务队伍,能够保 证达到设计方案要求的技术指标, 取全取准地质资料, 为勘探开发方案的制定提供可靠的科学依 据。

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附图一:

附图二:

附图三:

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附图四:

附图五:

附图六:

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